基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的文物保護環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

齊心　王鑫　趙澤

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的飛速發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與博物館文物保護工作緊密結(jié)合，實現(xiàn)對博物館文物展陳環(huán)境以及管理運行系統(tǒng)的實時監(jiān)測，極大提升文物保護工作的效率和質(zhì)量。文中介紹了物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，以及近年來物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的提升，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與文物保護的實際應用需求，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在故宮博物院中的實際應用效果。

關(guān)鍵詞：文物保護;物聯(lián)網(wǎng);環(huán)境監(jiān)測;無線通信;NB-IoT;LoRa

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

文物是人類寶貴的歷史文化遺產(chǎn)，對歷史研究、社會藝術(shù)等各方面都有非常重要的意義，對文物的保護自然也成了博物館的重要工作內(nèi)容。

早已為人們所了解的金屬銹蝕、竹木器干裂變形、紙張酸化、染料顏料褪色、絲織品老化、有機材料霉變蟲蛀等都與保存環(huán)境有關(guān)[1]。溫度會加大化學反應速率，還會對不同材質(zhì)因膨脹系數(shù)不同而造成破壞性影響。濕度除了能影響反應速率外，還會導致染料褪色和紙張老化，以及發(fā)生物理形變對文物造成傷害，比如字畫起褶皺等。光引起的化學反應將削弱物質(zhì)的強度，使染料、顏料色澤發(fā)生變化，其中紫外光更具有損傷性。其他污染氣體如SO2，H2S，氮氧化物，甲醛以及二氧化碳等都會直接參與一些化學反應，因此，對這些環(huán)境因素的監(jiān)測成了文物保護工作的重點。目前，我國多數(shù)博物館還在以人工抄表等方法監(jiān)測記錄環(huán)境情況，耗費人力的同時監(jiān)測準確性和實時性極為有限。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，將智能化、準確性高、監(jiān)測靈活的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應用于文物保護領(lǐng)域，能夠有效提高文物保護工作的效率及效果。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

1999年，美國麻省理工學院Auto-ID實驗室提出了物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）一詞。國際電信聯(lián)盟《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》正式提出了物聯(lián)網(wǎng)這一概念[2]。從早期的RFID到當下的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），以及傳感器市場的快速增長，云計算、AI人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，目前已經(jīng)被應用在包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、家居等多個領(lǐng)域。

在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡傳輸技術(shù)中，近年來LPWAN憑借低功耗、廣覆蓋、大連接、低帶寬、低成本的優(yōu)勢迅速崛起，行業(yè)巨頭對NB-IoT，eMTC，LoRa等技術(shù)加大投資，逐步實現(xiàn)商用。2017年三大運營商全部大力發(fā)展NB-IoT與eMTC。

NB-IoT具有靈活部署、窄帶、低速率、低成本、高容量、覆蓋面廣、低功耗等特點。NB-IoT技術(shù)可滿足對低功耗、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務[3]。中國電信最早開始部署NB-IoT，目前已經(jīng)實現(xiàn)了多個地區(qū)商用，在共享單車、智慧水表、智能家居等領(lǐng)域上線應用;中國移動實現(xiàn)了多個省市的NB-IoT網(wǎng)絡商用;中國聯(lián)通在2018年實現(xiàn)了全國商用。

LoRa作為非授權(quán)頻譜的一種LPWAN無線技術(shù)，與WiFi，Bluetooth，ZigBee等現(xiàn)有成熟商用的無線技術(shù)相比，具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優(yōu)點[4]。LoRa的發(fā)展極其迅速，中國聯(lián)通、阿里云，以及行業(yè)專業(yè)技術(shù)公司共同發(fā)布了“國內(nèi)首個城域物聯(lián)網(wǎng)試商用”系統(tǒng)。LoRa技術(shù)現(xiàn)已開展廣泛應用，在各行業(yè)中逐步發(fā)揮重要作用[5]。

從概念到部署，物聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域已經(jīng)展開全面的技術(shù)應用，也給產(chǎn)業(yè)鏈的上下游企業(yè)帶來了更多機遇和挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)無疑成為很有潛力的產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)趨勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步成熟，其為文物保護環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)奠定了理論和應用基礎(chǔ)，能夠在復雜的建筑群內(nèi)提供強大的網(wǎng)絡服務，實現(xiàn)便捷快速的數(shù)據(jù)傳輸。同時，物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)也可為文物保護提供有力的理論和技術(shù)依據(jù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在文物保護環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

文物保護中的環(huán)境監(jiān)測是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一項典型的實際應用。基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)測規(guī)模、監(jiān)測地域、監(jiān)測準確度、監(jiān)測靈活程度等方面都有傳統(tǒng)監(jiān)控手段難以比擬的優(yōu)勢。這項技術(shù)在軍事、工業(yè)和科學研究等諸多重要領(lǐng)域都得到了很好的應用。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測應用通過具有傳感、計算、存儲和無線通信多種能力的智能感知節(jié)點來完成復雜的以應用目標為導向的監(jiān)測工作。數(shù)據(jù)采集終端自適應組網(wǎng)和多模通信技術(shù)使得被網(wǎng)絡覆蓋的監(jiān)測區(qū)域不僅能夠完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送任務，通過節(jié)點間的分布式協(xié)作，監(jiān)測系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)計采樣、數(shù)據(jù)融合、查詢式監(jiān)控、動態(tài)功能升級等，為眾多以監(jiān)控為目標的應用提供了技術(shù)升級和再發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面看，物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡層、應用層三部分構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的一種應用，與物聯(lián)網(wǎng)在其他領(lǐng)域的應用系統(tǒng)有共同之處，但也存在不同。如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以分為監(jiān)控現(xiàn)場、傳輸網(wǎng)絡和云服務平臺三部分。

2.1 監(jiān)控現(xiàn)場

監(jiān)控現(xiàn)場是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的最前端部分，屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，負責完成信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸。位于監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)測終端內(nèi)部具有強大的微處理器以及多模網(wǎng)絡通信單元，可以完成環(huán)境參數(shù)的采集、初步分析、存儲以及通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至服務端。環(huán)境參數(shù)的采集主要由傳感器完成，因此對傳感器的精度、穩(wěn)定性以及功耗等性能指標具有較高的要求，以滿足文物保護過程中對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求。

監(jiān)測終端可采用電池供電方式，具有超低功耗以及高度安全可靠的性能，在應用現(xiàn)場的部署中能夠免去常規(guī)系統(tǒng)布線的困擾，自由設計監(jiān)測點的密度和位置，縮小監(jiān)測范圍，得到更加精準有效的文物保存環(huán)境信息。

2.2 傳輸網(wǎng)絡

傳輸網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，屬于物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層，是連接前端傳感網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)的橋梁。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，一般由網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過短距離無線通信技術(shù)接收監(jiān)控現(xiàn)場終端的傳感數(shù)據(jù)后，再由WiFi、以太網(wǎng)、GPRS、NB-IoT等技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務端。在一些特殊的應用中，也可在終端設備上集成類似NB-IoT等可以直接實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑沟媒K端能夠直接接入運營商網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳輸至服務端。

傳輸網(wǎng)絡受多變環(huán)境的影響，以及在博物館等不能破壞現(xiàn)有環(huán)境的地方使用，因此必須設計一套功能強大、系統(tǒng)布置靈活且信號穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)。隨著目前無線通信的快速發(fā)展，可以使用多種網(wǎng)絡傳輸方式來滿足不同的應用需求。

2.3 云服務平臺

云服務平臺是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，屬于物聯(lián)網(wǎng)的應用層，是用戶最直接的觀察和分析數(shù)據(jù)的平臺。該部分主要完成數(shù)據(jù)的收集、校準、入庫、保存和查詢，以及通過AI算法、深度挖掘等技術(shù)建立數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、預測、預警等功能。如圖2所示，在云服務平臺中，監(jiān)控設備入網(wǎng)、認證和管理系統(tǒng)完成傳感數(shù)據(jù)的接收以及用戶命令的發(fā)送，同時對數(shù)據(jù)進行校驗和計算處理，存入數(shù)據(jù)庫，并保證傳輸網(wǎng)絡的安全性和準確性。設備遠程更新與指揮系統(tǒng)負責實現(xiàn)設備的遠程控制和管理，監(jiān)控傳感終端和傳感網(wǎng)絡運行狀態(tài)，同時能夠?qū)υO備的工作參數(shù)以及運行環(huán)境等進行遠程更新與升級，并將指令發(fā)布到終端網(wǎng)絡中執(zhí)行;數(shù)據(jù)存儲及維護系統(tǒng)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)負責將數(shù)據(jù)進行整理、分析與統(tǒng)計，同時對數(shù)據(jù)進行深度處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、預測報警等;數(shù)據(jù)報表和展示系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進行實時傳感數(shù)據(jù)發(fā)布，使監(jiān)控用戶可以在任何時間和地點通過網(wǎng)頁、手機APP等查看數(shù)據(jù)詳情，并通過多種可視化技術(shù)進行數(shù)據(jù)展示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和導出功能。

3 文物保護中的應用案列

3.1 應用案例介紹

故宮博物院自2006年起開始在展廳內(nèi)進行基于無線網(wǎng)絡的文物環(huán)境監(jiān)測工作，經(jīng)過多年不斷升級和完善，不斷嘗試新技術(shù)，現(xiàn)今已引入了最先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。故宮博物院部署了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于文物保護環(huán)境監(jiān)測。系統(tǒng)部署的監(jiān)測點覆蓋面廣，在古建筑內(nèi)外、展柜內(nèi)外、機房內(nèi)和辦公區(qū)域外實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測。系統(tǒng)安裝、部署、使用及維護方便靈活，不破壞古建筑，不影響文物展示，擴展性強。博物院的管理人員可以對特定環(huán)境參數(shù)隨時進行遠程實時訪問。目前積累的古建筑體室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)可以為古建筑的保養(yǎng)和維護提供決策支持。

故宮端門部署了基于NB-IoT的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用NB-IoT技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)通過運營商網(wǎng)絡傳輸至服務平臺，通過Web發(fā)布后，在網(wǎng)頁及移動APP軟件上可實時查看數(shù)據(jù)。實踐證明，基于NB-IoT技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測設備可以在古建筑內(nèi)使用。同時，監(jiān)測設備的高可靠通信機制有效保障了監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。在部署過程中，由于故宮宮殿群建筑結(jié)構(gòu)復雜，出現(xiàn)了少部分設備網(wǎng)絡通信質(zhì)量較弱的情況，我們首先通過改變設備位置和安裝固定方式進行調(diào)整，其次選用請運營商配合調(diào)整基站部署位置和網(wǎng)絡信號覆蓋方向等方式加以解決。

故宮博物院的中心機房部署了NB-IoT+LoRa組網(wǎng)方式的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)通過NB-IoT完成與服務器的通信，同時通過LoRa完成節(jié)點數(shù)據(jù)的收集，彌補了部分區(qū)域運營商網(wǎng)絡覆蓋不良的情況。

3.2 系統(tǒng)組成及運行效果

監(jiān)控現(xiàn)場主要由監(jiān)測終端完成對溫濕度、光強、紫外線、有毒有害氣體等的采集、存儲，以及通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務端。監(jiān)測終端需具有超低的設備功耗和長期的設備穩(wěn)定性。在監(jiān)測終端的環(huán)境采集傳感器選擇上，保證其穩(wěn)定可靠和精度高的同時需要兼顧其能夠在超低功耗狀態(tài)下運行，設備中所使用的溫濕度、光照、紫外傳感器的功耗都控制在微安級，從而保證設備長期穩(wěn)定工作。系統(tǒng)中所使用的無線環(huán)境監(jiān)測終端以及智能傳輸網(wǎng)關(guān)設備如圖3所示。

系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡可完成數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡自組織，具有短延時、低功耗、高容量、易安裝維護的特點。因每種無線通信方式都有其自身的優(yōu)勢和缺點，所以在系統(tǒng)部署中，需要根據(jù)現(xiàn)場應用情況，綜合無線傳輸?shù)奶攸c搭建具有高效網(wǎng)絡傳輸功能的混合自組網(wǎng)實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)傳輸。

在多年監(jiān)測系統(tǒng)的實際部署中，前端傳感網(wǎng)絡監(jiān)測終端設備的通信方式從調(diào)頻通信方式逐步升級到同時具有WiFi，ZigBee或LoRa的多模通信方式，不斷提升網(wǎng)絡傳輸?shù)牡凸募案呖煽啃阅埽詰獙Χ喾N復雜的網(wǎng)絡通信環(huán)境。在某些場合中，監(jiān)測終端可以直接以NB-IoT的傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺服務器。以一種典型的混合自組網(wǎng)絡為例，使用具有超低功耗的LoRa網(wǎng)絡傳輸單元環(huán)境監(jiān)測終端以及多模智能網(wǎng)關(guān)組成前端監(jiān)測傳感網(wǎng)絡，終端設備采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)并與網(wǎng)關(guān)通過LoRa協(xié)議通信或采用NB-IoT的方式將數(shù)據(jù)直接傳輸至服務器，網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)通過WiFi/GPRS/NB-IoT等方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器。基于LoRa網(wǎng)絡和WiFi網(wǎng)絡傳輸?shù)幕旌献越M織網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4所示。

云服務平臺是一套成熟穩(wěn)定的數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，首頁數(shù)據(jù)區(qū)域化展示，布局新穎美觀;提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計和導出功能，方便用戶對數(shù)據(jù)進行深度處理;具有數(shù)據(jù)及設備通用性適配功能，自適應匹配多參數(shù)監(jiān)測;可按年、月、日等多時段報表曲線繪制，擁有豐富的數(shù)據(jù)篩選條件，方便用戶對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析;超出自定義報警閾值后通過線上線下多種方式報警，及時排除潛在風險;多用戶權(quán)限管理以及數(shù)據(jù)庫自動備份和恢復，使管理更加安全。

圖5所示為實際部署于故宮博物院的環(huán)境監(jiān)測終端設備。監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)顯示效果如圖6所示，左邊為部署地圖，中間為實時數(shù)據(jù)顯示，右邊為歷史數(shù)據(jù)曲線。圖7所示為故宮某個單體建筑的環(huán)境溫濕度監(jiān)測曲線，顯示了2016年11月

到2017年7月溫度和濕度日平均曲線。灰色線為溫度曲線，總體呈上升趨勢，反映了冬季到第二年夏季的氣候變化。黑色線為濕度曲線，殿內(nèi)濕度受天氣變化影響較大，北方冬天總體干燥，春夏季節(jié)濕度較高，因此應有效控制殿內(nèi)濕度，降低因濕度變化對文物造成的損害。基于物聯(lián)網(wǎng)的文物保護環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在多年的運行中，經(jīng)過多次更新升級，現(xiàn)在已成為一套穩(wěn)定可靠的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的無線環(huán)境綜合監(jiān)測與報警系統(tǒng)緊密結(jié)合，能夠支持WiFi/ZigBee/LoRa/NB-IoT等多種網(wǎng)絡通信模式，可應用于復雜環(huán)境中的無線數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。無論在室內(nèi)或室外都可部署監(jiān)測終端，支持多種組網(wǎng)方式混合使用，無需布線施工，能夠滿足多變惡劣環(huán)境及復雜地形下的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸需求。

監(jiān)測終端內(nèi)置高精度傳感器配合誤差補償算法，實現(xiàn)多數(shù)據(jù)準確無誤同步采集。終端使用高效鋰電源，無漏液、無污染，安全可靠。終端具有意外掉線保護機制，數(shù)據(jù)可自動保存，上線同步回傳。

系統(tǒng)軟件設有多元化數(shù)據(jù)展現(xiàn)模塊，擺脫傳統(tǒng)數(shù)字曲線式抄表，簡潔直觀。豐富的數(shù)據(jù)分析與管理功能配合多終端監(jiān)管系統(tǒng)，便捷易用。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)部署現(xiàn)場的情況，定制完整的解決方案，將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與文物保護工作有機結(jié)合，這對遺址地環(huán)境保護和博物館文物保護具有重要推廣意義。

注：本文通訊作者為趙澤。

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作者簡介：齊 心（1972—），男，本科，工程師，主要研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與計算機網(wǎng)絡。

王 鑫（1994—），男，本科，工程師，主要研究方向為嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)。

趙 澤（1978—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式技術(shù)及人工智能。